Limpieza de paneles solares con dron: la ganancia de rendimiento realista

Pregunte si la limpieza de placas solares, con dron o por cualquier otro medio, aumenta su producción, y la respuesta será siempre sí: si se retira una capa que absorbe o difunde la luz, llega más luz a las células. Pero esa no es la pregunta correcta. Lo que importa es cuánta energía le habría costado la suciedad antes de la siguiente limpieza natural, y si recuperar esa energía aporta más de lo que cuesta la propia limpieza. Planteada así, la pregunta tiene respuestas muy diferentes de un extremo a otro de Europa. En una cubierta muy inclinada, bajo un clima oceánico lluvioso, una limpieza rutinaria puede recuperar menos energía de la que hace perder una sola semana nublada. En una cubierta poco inclinada, en pleno verano seco en el sur, la misma limpieza puede amortizarse en pocas semanas.

En este artículo: los mecanismos en juego, tres zonas climáticas en lugar de países y una fórmula de rentabilidad para completar con sus propias cifras.

Ensuciamiento de los paneles solares: cómo hace perder energía

Pérdida de transmisión y ratio de ensuciamiento

El ensuciamiento reduce la luz que atraviesa el vidrio frontal, absorbiéndola y difundiéndola lejos de las células. El sector lo mide mediante el ratio de ensuciamiento (soiling ratio): la producción de un módulo sucio dividida por la que daría si estuviera limpio. La norma IEC 61724-1, que regula el seguimiento del rendimiento fotovoltaico, define la forma de medirlo, generalmente comparando un módulo que se limpia con regularidad con un módulo que se deja ensuciar de forma natural.

Con cargas de polvo bajas, la pérdida de transmisión aumenta de forma aproximadamente proporcional a la masa de polvo por metro cuadrado, y después se estabiliza a medida que las partículas se superponen. La naturaleza de las partículas también influye: las partículas finas difunden más luz por gramo que la arena gruesa, y el hollín oscuro absorbe más que el polvo mineral claro.

La magnitud del problema está documentada. Un estudio técnico-económico ampliamente citado, publicado por Ilse y sus colegas (Joule, 2019), estimaba que el ensuciamiento costaba entonces aproximadamente el 3–4 % de la producción fotovoltaica mundial. La mayor parte de esa pérdida se produce en las regiones áridas, y no en la Europa templada. El programa PV Power Systems de la IEA (Task 13) ha publicado síntesis detalladas sobre el ensuciamiento y los medios para limitarlo.

El perfil en dientes de sierra: acumulación y vuelta a cero

En un emplazamiento dado, la pérdida debida al ensuciamiento sigue un perfil en dientes de sierra. Aumenta a un ritmo aproximadamente constante durante los periodos secos y vuelve a bajar cada vez que la lluvia lava los paneles. Dos parámetros rigen, por tanto, la pérdida:

• la velocidad de ensuciamiento, en puntos porcentuales de producción perdidos por día seco, y
• la duración de los periodos secos, es decir, el tiempo durante el cual los paneles permanecen sin una lluvia lo bastante fuerte para limpiarlos.

La cantidad de lluvia suficiente sigue siendo incierta: los estudios de campo mencionan umbrales que van de aproximadamente 1 mm a más de 5 mm por episodio, según la inclinación y el tipo de suciedad.

Para una velocidad de ensuciamiento constante r y un periodo seco de T días, la pérdida media durante ese periodo es aproximadamente r × T ÷ 2. Este sencillo resultado condiciona toda la decisión de limpieza: la energía perdida durante todo el periodo, aproximadamente r × T² ÷ 2, crece con el cuadrado de la duración del periodo seco, puesto que tanto la pérdida máxima como su duración aumentan.

Lo que la lluvia no elimina

Una parte del ensuciamiento no desaparece con la lluvia y, en los climas húmedos, suele ser lo esencial de la pérdida residual:

• Bandas de suciedad en la parte inferior del módulo. En los módulos con marco poco inclinados, el agua se acumula contra el borde inferior del marco, se evapora y deja una banda de suciedad concentrada. Esa banda sombrea la fila inferior de células.
• Cementación. Los ciclos repetidos de rocío y secado disuelven sales y materia orgánica y después las vuelven a depositar en forma de una película adherente. Junto al mar, los aerosoles salinos, higroscópicos, aceleran este proceso.
• Excrementos de aves y restos vegetales. Proyectan una sombra local densa. En una cadena en serie, una célula muy sombreada obliga a su diodo de derivación (bypass) a conducir y puede anular la producción de todo un grupo de células, generalmente un tercio de módulo. Un pequeño excremento cuesta, por tanto, de forma desproporcionada. También genera calor: un sombreado parcial persistente crea puntos calientes, razón por la cual las normas de cualificación de módulos (IEC 61215) incluyen un ensayo de resistencia a los puntos calientes.
• Desarrollo biológico. En los lugares húmedos y sombreados, algas, musgos y líquenes pueden instalarse a lo largo de los bordes del marco y en los intersticios entre módulos.

Limpieza con dron de paneles fotovoltaicos: funcionamiento y eficacia

Pulverizar sin contacto

La mayoría de las limpiezas fotovoltaicas con dron se basan en el mismo dispositivo básico que la limpieza a baja presión de fachadas: un multirrotor alimentado de agua por una manguera conectada a una unidad en tierra, que pulveriza a baja presión a una distancia de aproximadamente medio metro a metro y medio.

Una pulverización sin contacto limpia por cizallamiento hidrodinámico y por disolución. El chorro despega y arrastra las partículas retenidas por fuerzas débiles, como la atracción de van der Waals o las cargas electrostáticas. Elimina bien el polvo mineral no adherido y el polen. Le cuesta más con el polvo ligado por cementación o retenido por puentes capilares tras el rocío, y es menos eficaz con los excrementos de aves y las películas biológicas. Son precisamente los depósitos que un cepillado o un frotado eliminan de forma más fiable.

El flujo descendente de los rotores, de varios metros por segundo en un dron de limpieza cargado, ayuda a desprender el polvo seco, pero también puede proyectar restos sobre los módulos vecinos: las pasadas deben, por tanto, avanzar en el sentido del viento a través del campo de módulos.

Calidad del agua: por qué importa el agua desionizada

En gran parte de Europa central y meridional, el agua del grifo es dura, rica en calcio y magnesio disueltos. Al evaporarse sobre el vidrio, deja depósitos carbonatados, que constituyen a su vez una capa de ensuciamiento, más difícil de eliminar que el polvo original. Por eso las buenas prácticas, independientes de los fabricantes, recomiendan un agua desionizada o desmineralizada, que se seca sin dejar residuos (producida, por ejemplo, con filtros de resina de intercambio iónico como los HydroPower de Unger). Nuestro artículo sobre la limpieza de cristales con dron explica cómo se produce un agua de este tipo.

Los detergentes se desaconsejan en general, salvo que estén aprobados por el fabricante del módulo. Muchos módulos llevan un recubrimiento antirreflectante de sílice porosa que aporta algunos puntos porcentuales de transmisión, y los ácidos fuertes, los productos alcalinos o los abrasivos pueden degradarlo de forma permanente.

Presión, temperatura y cumplimiento de la garantía

Los manuales de instalación de los módulos fijan unos límites de limpieza que varían de un fabricante a otro. Lo más habitual es encontrar:

• una presión de agua máxima, en general muy inferior a la de una hidrolimpiadora de alta presión,
• ninguna herramienta abrasiva ni productos químicos agresivos, y
• no limpiar cuando el vidrio está caliente.

El choque térmico es un mecanismo muy real: el agua fría sobre un vidrio a 60 °C o más crea fuertes gradientes de temperatura en el vidrio y en la junta del marco. Limpiar a primera hora de la mañana o al final del día permite evitarlo y además limita las marcas.

En lo que respecta a la garantía, el requisito práctico es la documentación: consulte el manual de los módulos instalados y anote el tipo de agua, la presión en la boquilla, el método y la fecha.

Limpieza de placas solares con dron: tres zonas climáticas, tres respuestas

Las cifras siguientes son rangos orientativos, basados en estudios de campo publicados y en la experiencia de explotación; no son mediciones propias de un emplazamiento concreto. Fuentes locales como las tierras agrícolas, los caminos sin asfaltar, la industria o las colonias de aves pueden pesar más que el clima.

Noroeste oceánico

Esta zona abarca Irlanda, Gran Bretaña, el Benelux, Galicia y la cornisa cantábrica, Dinamarca y la Escandinavia costera. Llueve cada pocos días la mayoría de los meses, y el periodo seco típico es corto. En módulos inclinados 20° o más, los dientes de sierra vuelven a cero con tanta frecuencia que la pérdida media debida al polvo ordinario suele ser baja, a menudo estimada en torno al 1–2 % de la producción anual esperada, o incluso menos. Considere esta cifra como aproximada.

Las pérdidas restantes proceden de las bandas de suciedad en la parte inferior del módulo, de los excrementos de aves y de las algas o líquenes en los bordes sombreados. Son precisamente los tipos de ensuciamiento que la lluvia no elimina y que la pulverización con dron retira con menos seguridad.

Frecuencia: 0–1 limpieza al año, desencadenada por una inspección o por los datos de seguimiento más que por el calendario. Las cubiertas comerciales poco inclinadas, así como los emplazamientos próximos a explotaciones agrícolas o a colonias de aves marinas, se sitúan en la parte alta del rango.

Interior continental

Esta zona abarca Alemania, Austria, Chequia, Polonia, Hungría, la Meseta suiza y el norte de Italia. Las lluvias son regulares, pero menos frecuentes que en la zona oceánica, con periodos secos marcados al final del verano y a veces en primavera. El polen primaveral y el polvo agrícola se acumulan rápidamente y, tanto en la llanura del Po como en las zonas industriales, las partículas añaden un componente de hollín.

Frecuencia: 0–1 al año en las instalaciones residenciales inclinadas y 1–2 en las cubiertas planas poco inclinadas, idealmente después de la temporada de polen o durante un largo periodo seco estival.

Sur cálido y seco

Esta zona abarca la mayor parte de la península ibérica, el sur de Italia, Grecia, Chipre, Malta y las islas Baleares. En muchos lugares, los periodos secos estivales duran 60–120 días. Las velocidades de ensuciamiento registradas durante los meses secos se sitúan a menudo en torno al 0,1–0,3 % diario, y más cerca de fuentes de polvo. Los episodios de polvo sahariano pueden depositar una carga importante de una sola vez, y un chubasco ligero posterior deja barro en lugar de lavar los paneles.

Aquí, la aritmética de los dientes de sierra aboga claramente a favor de la limpieza. Con r = 0,2 % diario y una estación seca de 90 días, la pérdida media sin limpieza alcanza aproximadamente el 9 %. Una limpieza a mitad de temporada la divide en dos dientes de sierra de 45 días y reduce la pérdida media a la mitad, a aproximadamente un 4,5 %. Se recupera así cerca del 4,5 % de la producción de la temporada, y la producción estival representa la mayor parte del año.

Frecuencia: 1–3 al año, programadas durante la estación seca, más una después de cualquier episodio de polvo importante. Los emplazamientos muy polvorientos pueden justificar más.

Coste de la limpieza de paneles solares con dron, referido a la unidad de referencia

La unidad de referencia corresponde a una pasada estándar de limpieza con dron en una vivienda de referencia, cubierta y fachadas incluidas. La limpieza fotovoltaica es una intervención más ligera, sin producto químico, con un caudal menor y una superficie reducida, pero los costes fijos de movilización, de reconocimiento del emplazamiento y de preparación del vuelo siguen siendo los mismos. Múltiplos orientativos:

Lo que importa es la tendencia, más que las cifras exactas. Los costes fijos predominan en las instalaciones pequeñas: una instalación residencial paga, por tanto, mucho más por módulo que una cubierta grande. En zona urbanizada, suele exigirse una autorización operacional expedida por la autoridad nacional de aviación civil (en España, la AESA, Agencia Estatal de Seguridad Aérea), una carga que pesa mucho más en un trabajo de 12 módulos que en uno de 400.

Rentabilidad de la limpieza fotovoltaica: la fórmula del retorno de la inversión

Utilice sus propias cifras. Sean:

• E = la producción esperada de su instalación durante el periodo afectado por la limpieza, en kWh. Se trata generalmente del periodo seco hasta la siguiente lluvia fiable, o hasta la siguiente limpieza programada. Sus datos de seguimiento o una estimación de producción para ese periodo le darán este valor.
• ΔL = la pérdida media evitada durante ese periodo, expresada como fracción. Para una limpieza a mitad de un periodo seco en régimen de dientes de sierra, ΔL ≈ r × T ÷ 4, siendo T la duración total del periodo seco en días. Es la diferencia entre la media sin limpieza (r × T ÷ 2) y la media de dos dientes de sierra de la mitad de duración.
• P = lo que vale para usted su electricidad, autoconsumida o vertida a la red, por kWh.
• C = el coste de una limpieza.

Energía recuperada: E × ΔL. Valor recuperado: E × ΔL × P.

Una limpieza es rentable cuando E × ΔL × P > C. Reordenando, el valor de la electricidad a partir del cual la limpieza alcanza el umbral de rentabilidad es P* = C ÷ (E × ΔL). Si su electricidad vale para usted más que P*, limpie. Si vale menos, absténgase.

Conviene aplicar dos correcciones antes de fiarse del resultado.

• Recorte del inversor. Muchos sistemas se dimensionan con una potencia de paneles superior a la del inversor. En los picos de pleno verano, el inversor ya limita la producción, de modo que una parte de la pérdida debida al ensuciamiento en esas horas no cuesta nada. Las instalaciones con un ratio paneles/inversor elevado recuperan menos de lo que indica la fórmula.
• Tipo de ensuciamiento. Si una gran parte de la pérdida procede de los excrementos, de las bandas de suciedad o de películas cementadas, una pulverización sin contacto puede recuperar solo una parte de ΔL. Si su seguimiento permite conocer el ratio de ensuciamiento después de una limpieza (por ejemplo, con un sensor de ensuciamiento como el DustIQ de Kipp & Zonen), utilice esa ganancia medida en lugar de la estimación.

Limpieza con dron: límites y compromisos

• Primero los datos. Sin seguimiento, las decisiones de limpieza son pura conjetura. Limpiar un módulo de referencia y observar la diferencia cuesta poco.
• Con o sin contacto. La pulverización con dron evita pisar los módulos, lo que importa, porque el pisoteo puede provocar microfisuras en las células, un modo de fallo documentado en las síntesis de la IEA PVPS Task 13 sobre la degradación de los módulos. Pero elimina el ensuciamiento adherido de forma menos fiable que unos cepillos suaves con agua desionizada.
• Flujo descendente y restos. En las cubiertas lastradas con grava suelta o equipadas con fijaciones ligeras, el flujo descendente de los rotores crea su propio riesgo. En campos de módulos muy apretados, puede simplemente desplazar la suciedad de un módulo a otro.
• Riesgo para el recubrimiento. Cualquier método que ponga un recubrimiento antirreflectante en contacto con productos químicos o con abrasión puede causar daños permanentes. El riesgo de fallo procede de las decisiones del operador, no del dron.

¿Conviene limpiar los paneles solares con dron? El balance por zona

En el sur cálido y seco, la limpieza con dron de las instalaciones poco inclinadas o de gran tamaño se justifica por la física: largos periodos secos, velocidades de ensuciamiento elevadas y producción estival se combinan para que una limpieza bien situada recupere varios puntos porcentuales de la producción estacional esperada. La fórmula de rentabilidad será generalmente favorable, sobre todo en las cubiertas grandes.

En la zona interior continental, la respuesta depende de la inclinación y de las fuentes locales. Las cubiertas planas comerciales próximas a tierras agrícolas o a carreteras justifican a menudo una limpieza al año, bien situada. Las instalaciones residenciales muy inclinadas, rara vez, salvo que el seguimiento revele una pérdida persistente.

En el noroeste oceánico, la lluvia hace lo esencial del trabajo. Las pérdidas restantes son sobre todo de las que la pulverización con dron elimina con menos seguridad, y las instalaciones pequeñas soportan los costes fijos por módulo más elevados. Una limpieza selectiva, desencadenada por el seguimiento, a veces a mano con agua desionizada y un cepillo suave, suele imponerse a un programa de limpieza con dron planificado.

Sea cual sea la zona, la pregunta correcta es si la energía recuperada durante el siguiente periodo seco, valorada a lo que vale para usted su electricidad, supera el coste de una limpieza.